CN113051708B - 一种基于能量平衡的电窑炉电能质量特性分析模型的建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于能量平衡的电窑炉电能质量特性分析模型的建立方法，首先获取待测电窑炉的结构参数、电气参数及工艺参数；计算得到待测电窑炉第n个温区单位时间的总输出热量；然后确定对应温区加热棒的输入能量、温控装置输出电压及调压系数，计算温控装置对应的触发角，结合电窑炉加热棒在三相电压间的分布情况，计算各加热棒的电流相量，从而计算出电窑炉的相电流以及各类电能质量指标。上述方法为电窑炉负荷接入配电网的电能质量特性分析提供了有效的手段，有效推动了窑炉电能替代的进程，对大气污染防治、环境质量改善、能源结构调整具有重大的意义。

Description

一种基于能量平衡的电窑炉电能质量特性分析模型的建立 方法

技术领域

本发明涉及电窑炉技术领域，尤其涉及一种基于能量平衡的电窑炉电能质量特性分 析模型的建立方法。

背景技术

电窑炉是一种电加热窑炉，以电为能源，多半以电炉丝、硅碳棒或二硅化钼作为发热组件，依靠电能辐射和导热原理进行制品的烧制。电窑炉采用电子程序调控，操作简 单，安全性能好，温度精确可控；不需要燃烧室，不存在燃料和炉渣堆物，节能环保，

运维成本较低，具有显著的优势。但电窑炉在烧制过程中用电特性具有时变非线性、随 机间歇性、大功率等特征，电窑炉并网后会降低配电网的电能质量运行水平，对配电网 的安全、稳定和经济运行造成不可忽略的影响。电能替代对于我国大气污染防治、环境质量改善、能源结构调整的意义重大，但伴随其来的电能质量问题已经影响和阻碍了电 能替代项目的顺利推广，目前在面对电窑炉规模化接入配电网的电能质量问题时，还缺 乏有效的电窑炉电能质量特性分析模型建立方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于能量平衡的电窑炉电能质量特性分析模型的建立方 法，该方法为电窑炉负荷接入配电网的电能质量特性分析提供了有效的手段，有效推动了窑炉电能替代的进程。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于能量平衡的电窑炉电能质量特性分析模型的建立方法，所述方法包括：

步骤1、首先获取待测电窑炉的结构参数、电气参数及工艺参数；

步骤2、基于所获取的各参数，分别计算得到待测电窑炉第n个温区单位时间的总输 出热量；

步骤3、然后根据能量平衡原理，计算出待测电窑炉第n个温区单位时间内电加热棒 的输入能量和温控装置的输出电压U_n,JR；

步骤4、结合第n个温区电窑炉供电线电压有效值U_n,L，计算得到温控装置的调压系数K_U,n；

步骤5、建立温控装置的调压系数K_U,n与触发角β_n之间的对应关系曲线，基于所述对 应关系曲线和计算得到的温控装置的调压系数K_U,n，确定温控装置对应的触发角β_n；

步骤6、根据第n个温区加热棒温控装置对应的触发角β_n，计算第n个温区加热棒h次 谐波电流相量，并结合电窑炉各加热棒在三相之间的分布情况，计算各加热棒的电流相量；

步骤7、然后根据各温区内加热棒的分布情况，计算出待测电窑炉的相电流；

步骤8、根据相线电流转换原理，将所述待测电窑炉的相电流转换为线电流，并计算 线电流中的谐波电流、基波电流、正序电流、负序电流、零序电流、有功功率、无功功 率、视在功率和功率因数指标。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法为电窑炉负荷接入配电网的电能 质量特性分析提供了有效的手段，有效推动了窑炉电能替代的进程，对大气污染防治、环境质量改善、能源结构调整具有重大的意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的 附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得 其他附图。

图1为本发明实施例提供的基于能量平衡的电窑炉电能质量特性分析模型的建立方法 流程示意图；

图2为本发明实施例所述调压系数K_U,n与触发角β_n之间对应关系的曲线示意图；

图3为本发明所举实例中电窑炉各加热棒输入能量和对应的触发角的曲线示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地 描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提 供的基于能量平衡的电窑炉电能质量特性分析模型的建立方法流程示意图，所述方法包 括：

步骤1、首先获取待测电窑炉的结构参数、电气参数及工艺参数；

在该步骤中，所述待测电窑炉的结构参数包括：电窑炉的温区数量N；第n个温区内壁的长度L_n、高度H_n和宽度W_n；第n个温区的绝热层数I，以及第i层绝热材料厚度S_i、 导热系数λ_i；各温区之间的遮蔽系数K_ZB；其中n为温区的编号，n＝1，2，……N；

电气参数包括：电窑炉的三相供电电压

第n个温区的加热棒数量M_JR、加热棒等效阻抗R_JR、加热棒加热段长度L_{n,RB_HOT}、加热棒端部断面积F_n,RB及加热 棒导热系数λ_n,RB；

工艺参数包括：电窑炉第n个温区每小时加热的制品重量G_n,ZP、每小时推进的推板重 量G_n,TB、每小时推进的匣钵料重量G_n,XB，以及制品的平均比热C_ZP、推板的平均比热 C_TB、匣钵的平均比热C_XB；第n个温区窑墙内表面温度T_n,YQ,IN和窑墙外表面温度 T_n,YQ,OUT；第n个温区排湿风机带走的废气体积V_n,FQ、烟囱出口的废气温度T_n,FQ以及废气 的平均比热C_n,FQ；第n个温区单位时间内风机产生的风量Q_n,LQ、风机带走的空气温度 T_n,LQ以及气体平均比热C_n,LQ。

步骤2、基于所获取的各参数，分别计算得到待测电窑炉第n个温区单位时间的总输 出热量；

在该步骤中，所述待测电窑炉第n个温区单位时间内输入的热量为电加热棒释放的热 量，输出的热量包括制品加热需要的热量W_n,ZP、推板加热需要的热量W_n,TB和匣钵加热需 要的热量W_n,XB、窑墙散热损失的热量W_n,YQ、窑门辐射损失的热量W_n,FS、裸露加热棒端部传导所散失的热量W_n,RB、排湿风机废气带走的热量W_n,FQ、冷却风机带走的热量W_n,LQ、窑 炉积散热以及其他热损失W_n,QT，其中：

所述制品加热需要的热量W_n,ZP计算方法如下：

W_n,ZP＝G_n,ZP×C_ZP×(T_n,ZP,OUT-T_n,ZP,IN)×K_{kcal_kwh} (1)

式中，G_n,ZP为第n个温区内每小时加热的制品重量，单位：kg/h；C_ZP为制品的平均比热，单位：kcal/kg·℃；T_n,ZP,IN为制品进入第n个温区前的温度，单位：℃；T_n,ZP,OUT为 制品离开第n个温区时的温度，单位：℃；K_{kcal_kwh}是kcal和kWh的换算系数，

K_{kcal_kwh}＝0.0011627kWh/kcal；

所述推板加热需要的热量W_n,TB计算方法如下：

W_n,TB＝G_n,TB×C_TB×(T_n,TB,OUT-T_n,TB,IN)×K_{kcal_kwh} (2)

式中，G_n,TB为第n个温区内每小时推进的推板重量，单位：kg/h；C_TB为推板的平 均比热，单位：kcal/kg·℃；T_n,TB,IN为推板进入第n个温区前的温度，单位：℃；T_n,TB,OUT为推板离开第n个温区时的温度，单位：℃；

所述匣钵加热需要的热量W_n,XB计算方法如下：

W_n,XB＝G_n,XB×C_XB×(T_n,XB,OUT-T_n,XB,IN)×K_{kcal_kwh} (3)

式中，G_n,XB为第n个温区内每小时推进的匣钵料重量，单位：kg/h；C_XB为匣钵的 平均比热，单位：kcal/kg·℃；T_n,XB,IN为匣钵进入第n个温区前的温度，单位：℃；

T_n,XB,OUT为匣钵离开第n个温区时的温度，单位：℃；

所述窑墙散热损失的热量W_n,YQ计算方法如下：

式中，T_n,YQ,IN为第n个温区窑墙内表面温度，单位：℃；T_n,YQ,OUT为第n个温区窑墙外表面温度，单位：℃；S_i为第n个温区内第i层绝热材料的厚度，单位：m；λ_i为第n个温 区内第i层绝热材料的导热系数，单位：kcal/m·h·℃；F_n,YQ为窑墙的散热面积，单位： m²，计算方法如下：

其中，F_n,YQ,IN是第n个温区窑墙内表面面积，单位：m²；F_n,YQ,OUT是第n个温区窑墙外表面面积，单位：m²；

所述窑门辐射损失的热量W_n,FS计算方法如下：

式中，T_n,FS,IN为电窑炉温区内部的平均温度，单位：℃；T_n,FS,OUT为电窑炉温周围的空气温度，单位：℃；F_n,FS为窑门面积，单位：m²；K_ZB各温区的遮蔽系数，完全遮蔽时 K_ZB＝0，无遮蔽时K_ZB＝1，正常取值在0～1之间；

所述裸露加热棒端部传导所散失的热量W_n,RB计算方法如下：

式中，λ_n,RB为第n个温区内加热棒的导热系数；T_{n,RB_IN}为第n个温区加热棒在窑膛内发热部分的温度，单位：℃；T_{n,RB_OUT}为第n个温区加热棒在窑外的温度，单位：℃；

L_{n,RB_HOT}为第n个温区加热棒加热段的长度，单位：m；F_n,RB为第n个温区加热棒端部的断 面积，单位：m²；

所述排湿风机废气带走的热量W_n,FQ计算方法如下：

W_n,FQ＝V_n,FQ×C_n,FQ×T_n,FQ×K_{kcal_kwh} (8)

其中，V_n,FQ是第n个温区单位时间内排湿风机带走的废气体积，单位：m³/h；T_n,FQ是第n个温区排湿烟囱出口的废气温度，单位：℃；C_n,FQ是T_n,FQ温度下废气的平均比热，单 位：kcal/kg·℃；

所述冷却风机带走的热量W_n,LQ计算方法如下：

W_n,LQ＝Q_n,LQ×C_n,LQ×T_n,LQ×K_{kcal_kwh} (9)

其中，Q_n,LQ为第n个温区单位 时间内风机产生的风量，单位：m³/h，T_n,LQ是第n个温区内风机带走的空气温度，单 位：℃；C_n,LQ是在T_n,LQ温度下气体的平均比热；

所述窑炉积散热以及其他热损失W_n,QT计算方法如下：

所述窑炉积散热以及其他热损失W_n,QT等于总耗热量的10％；

则所述待测电窑炉第n个温区单位时间的总输出热量W_n,OUT,ALL计算方法如下：

W_n,OUT,ALL＝W_n,ZP+W_n,TB+W_n,XB+W_n,YQ+W_n,FS+W_n,RB+W_n,FQ+W_n,LQ+W_n,QT (11)

步骤3、然后根据能量平衡原理，计算出待测电窑炉第n个温区单位时间内电加热棒 的输入能量和温控装置的输出电压U_n,JR；

在该步骤中，所述待测电窑炉第n个温区单位时间内输入的热量为电加热棒释放的热 量，则第n个温区单位时间内电加热棒产生的总热量W_n,JR计算方法如下：

式中，M_n,JR为第n个温区内加热棒数量的数组；U_n,JR为第n个温区内电窑炉温控装置输出的加热棒两端的电压值，单位：V；R_n,JR为n个温区内单个加热棒的等效阻抗，单 位：Ω；

根据能量平衡原理，第n个温区单位时间内电加热棒放出的热量与第n个温区单位时 间内的总输出能量相等，得到下式：

W_n,JR＝W_n,OUT,ALL (13)

进而得到第n个温区加热棒的温控装置的输出电压U_n,JR计算如下：

以此类推，计算得到所述待测电窑炉所有温区中所有加热棒温控装置的输出电压值。

步骤4、结合第n个温区电窑炉供电线电压有效值U_n,L，计算得到温控装置的调压系数K_U,n；

在该步骤中，温控装置的调压系数K_U,n表示为：

其中，U_n,L为第n个温区的电窑炉供电线电压有效值，若该温区的加热棒连接在AB相 之间，则

若该温区的加热棒连接在BC相之间，则

若该温区的加热棒连接在CA相之间，则

步骤5、建立温控装置的调压系数K_U,n与触发角β_n之间的对应关系曲线，基于所述对 应关系曲线和计算得到的温控装置的调压系数K_U,n，确定温控装置对应的触发角β_n；

在该步骤中，温控装置的调压系数K_U,n与触发角β_n之间存在一一映射关系，如式(16)所示：

如图2所示为本发明实施例所述调压系数K_U,n与触发角β_n之间对应关系的曲线示意 图，通过查询调压系数K_U,n与触发角β_n的对应关系，获得温控装置对应的触发角β_n。

步骤6、根据第n个温区加热棒温控装置对应的触发角β_n，计算第n个温区加热棒h次 谐波电流相量，并结合电窑炉各加热棒在三相之间的分布情况，计算各加热棒的电流相量；

在该步骤中，不同触发角β_n对应的h次谐波电压的幅值和相位计算式如下：

h＝1表示基波分量；

其中：

根据第n个温区内M_n个加热棒在三相电压中的分布情况，若加热棒接入AB相，则用AB相调制后的电压计算加热棒的电流；若加热棒接入BC相，则用BC相调制后的电压计算 加热棒的电流；若加热棒接入CA相，则用CA相调制后的电压计算加热棒的电流；

进而计算出第n个温区内第m个加热棒产生的h次谐波电流如下：

其中，m为第n个温区内加热棒的编号；h表示谐波次数，当h＝1时表示为基波电流；U_m,h为第m个加热棒对应的调制电压幅值；θ_m,Uh为第m个加热棒对应的调制电压相位角；R_m,JR,h为第m个加热棒的h次谐波阻抗，若考虑加热棒的趋肤效应时，

若 不考虑加热棒的趋肤效应时，R_m,JR,h＝R_m,JR。

步骤7、然后根据各温区内加热棒的分布情况，计算出待测电窑炉的相电流；

在该步骤中，具体根据各温区内加热棒在三相供电电压中的分布情况，将连接在AB 相、BC相和CA相电压之间的各加热棒h次谐波电流分别进行相量叠加，得到待测电窑炉的 相电流

和

如式(21)所示：

其中，M₁、M₂、M₃分别是电窑炉所有温区中连接在AB相、BC相和CA相之间的加热棒数量。

步骤8、根据相线电流转换原理，将所述待测电窑炉的相电流转换为线电流，并计算 线电流中的谐波电流、基波电流、正序电流、负序电流、零序电流、有功功率、无功功 率、视在功率和功率因数指标。

在该步骤中，具体根据相线电流转换原理，计算得到电窑炉的三相线电流，计算方法如下：

其中，

分别为电窑炉负荷h次谐波的线电流；

分别 为电窑炉负荷h次谐波的相电流，当h＝1时为基波分量；

根据电窑炉三相线电流的基波分量，采用对称分量法，计算出三相基波电流的正序、负序和零序分量，计算方法如下：

再根据电窑炉的三相基波线电流与三相电压的关系，计算出三相有功功率P、三相无 功功率Q、三相视在功率S、功率因数PF，计算方法如下：

其中，U_A、U_B、U_C电压分别为电窑炉三相供电电压的幅值；I_A,1、I_B,1、I_C,1分别为电 窑炉三相线电流的幅值；

分别为电窑炉三相供电电压与电窑炉三相电流的相 位差。

为了更好的介绍本发明，下面以具体的实例对本发明的实施过程进行详细说明，在 本实例中，某电窑炉共有11个温区，11个温区的内壁长度分别为0.8米、1.0米、1.0米、1.2米、1.0米、0.9米、1.3米、1.1米、1.7米、2.2米、2.8米，各温区内壁宽度均为 0.32米，各温区内壁高度均为0.14米。电窑炉有2个保温层，其中保温层1的厚度为0.13 米，导热系数为1.1kcal/m·h·℃，保温层2的厚度为0.29米，导热系数为 0.15kcal/m·h·℃；各温区的遮蔽系数取1.0。

电窑炉三相供电电压分别为

11个温 区中第6-8温区的加热棒数量为2根，其余温区的加热棒数量均为1根，各加热棒的等效阻 抗均为8.64Ω，各加热棒加热段长度均为0.35米，加热棒端部断面积均为0.00061575平方米，加热棒导热系数均为20kcal/kg·℃，裸露加热棒端部温度分别为对应温区温度的0.3倍。

电窑炉每小时加热的制品重量为60kg、每小时推进的推板重量35kg、每小时推进的 匣钵料重量30kg，制品和推板的平均比热均为0.3kcal/kg·℃、匣钵的平均比热为0.2kcal/kg·℃；制品、推板和匣钵进入电窑炉前的温度为20℃；11个温区窑墙内表面温度分别为150℃、300℃、620℃、900℃、1010℃、1169℃、1169℃、1070℃、900℃、 700℃、550℃，窑墙外表面温度分别为30℃、40℃、55℃、70℃、75℃、80℃、80℃、 80℃、70℃、60℃、50℃]，仅第1个温区安装排湿风机，排湿风机单位时间内带走的废 气体积为72.38m³/h、烟囱出口的废气温度为100℃，排湿废气的平均比热 0.313kcal/kg·℃；仅后4个温区安装降温风机，单位时间内风机产生的风量分别为 135.5913m³/h、176.2571m³/h、177.4091m³/h、177.4091m³/h，风机带走的空气温度 100℃，风机带走气体的平均比热为0.313kcal/kg·℃。

(1)第1个温区单位时间内加热制品需要的热量计算如下：

W_1,ZP＝60kg×0.3kcal/kg·℃×(150℃-20℃)×0.0011627kWh/kcal＝2.7207kWh

(2)第1个温区单位时间内加热推板需要的热量计算如下：

W_1,TB＝35kg×0.3kcal/kg·℃×(150℃-20℃)×0.0011627kWh/kcal＝1.6871kWh

(3)第1个温区单位时间内加热匣钵需要的热量计算如下：

W_1,XB＝30kg×0.2kcal/kg·℃×(150℃-20℃)×0.0011627kWh/kcal＝0.9069kWh

(4)第1个温区单位时间内窑墙散热损失的热量计算如下：

F_1,YQ,IN＝0.8m×0.14m×2+0.8m×0.32m＝0.48m²

F_1,YQ,OUT＝0.8m×(0.14+0.13+0.29)m×2+0.8m×(0.32+0.13+0.29)m＝1.488m²

(5)第1个温区单位时间内窑门辐射的热损失计算如下：

温区1对左侧窑门的辐射能量：

温区1对温区2的辐射能量：

温区1对外的总辐射能量

W_1,FS＝W_{1,FS_L}+W_{1,FS_R}＝-0.196kWh+0.0638kWh＝-0.1322kWh

辐射能量为负值，说明第2个温区对该温区的热辐射大于该温区对窑门的热辐射。(6)第1个温区单位时间内裸露加热棒端部传导散失的热量计算如下：

(7)第1个温区单位时间内排湿风机废气带走的热量计算如下：

W_1,FQ＝72.38×0.313×100×0.0011627＝2.6341kWh

(8)由于第1个温区无冷却风机，则单位时间内冷却风机带走的热量如下：

W_1,LQ＝0kWh

(9)第1个温区单位时间内窑炉积散热及其他热损失计算如下：

通过上述计算，可计算出第1个温区单位时间内的总输出能量如下：

W_1,OUT,ALL＝2.7207+1.6871+0.9069+0.0575-0.1322+0.0043+2.6341+0+0.8754＝8.7538kWh

第1个温区仅有1个加热棒，则根据能量平衡，该加热棒的输出能量为：

W_1,JR＝8.7538kWh

则对应加热棒的调制电压计算如下：

特别说明的是，由于晶闸管在调压过程中，不仅产生基波分量，还会产生谐波分量，谐波电压在加热棒上也会产生热量。因此，此处计算的电压U_1,JR是电压有效值，包 含了基波和所有谐波分量。

由于电窑炉采用线电压进行供电，加热棒两端的电压为380V，则计算出调压系数为：

根据图2中的调压系数与触发角的对应关系曲线，可得到对应的温控装置触发角为 87.69°。

根据上述方法，可计算出11个温区共14个加热棒的输入能量及对应触发角，如图3所 示为本发明所举实例中电窑炉各加热棒输入能量和对应的触发角的曲线示意图，假设第1 个温区的加热棒供电电压取自A相和B相之间的线电压，则供电电压为：

根据式(17)～(19)可计算出：

a₁＝-170.7822，b₁＝282.4864，

θ_Uh＝-31.1558°

根据式(20)，可计算出该加热棒产生的基波电流为：

同理，根据式(17)～(20)，可计算出14个加热棒的基波电流相量，以及2到100 次谐波电流相量。设14个加热棒中，编号为1、4、7、10、13的加热棒采用

供电，编 号为2、5、8、11、14的加热棒采用

供电；编号为3、6、9、12的加热棒采用

供 电。

则根据式(21)-(22)，将同一相中的加热棒电流进行相量叠加，计算出电窑炉的线电流

和

针对计算的线电流进行功率计算和对称分量分解，得到电窑炉 线电流中的谐波电流、基波电流、正序电流、负序电流、零序电流、有功功率、无功功 率、视在功率和功率因数等电能质量指标，具体如下所示：

表1电窑炉基波线电流和序电流分析报表

表2电窑炉谐波分析报表

表3电窑炉功率和功率因数分析报表

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知 的现有技术。

综上所述，本发明实施例所述方法结合电窑炉的结构参数、电气参数及工艺参数，建立了电窑炉的能量平衡模型，确立了电能质量特性与电窑炉参数的关系，为电窑炉接 入配电网的电能质量发射特性仿真，及其对配电网电能质量的影响分析，提供有力的支 持。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替 换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的 保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于能量平衡的电窑炉电能质量特性分析模型的建立方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、首先获取待测电窑炉的结构参数、电气参数及工艺参数；

步骤2、基于所获取的参数，分别计算得到待测电窑炉第n个温区单位时间的总输出热量；所述步骤2的过程具体为：

所述待测电窑炉第n个温区单位时间的总输出热量包括制品加热需要的热量W_n,ZP、推板加热需要的热量W_n,TB和匣钵加热需要的热量W_n,XB、窑墙散热损失的热量W_n,YQ、窑门辐射损失的热量W_n,FS、裸露加热棒端部传导所散失的热量W_n,RB、排湿风机废气带走的热量W_n,FQ、冷却风机带走的热量W_n,LQ、窑炉积散热以及其他热损失W_n,QT，其中：

所述制品加热需要的热量W_n,ZP计算方法如下：

W_n,ZP＝G_n,ZP×C_ZP×(T_n,ZP,OUT-T_n,ZP,IN)×K_{kcal_kwh} (1)

式中，G_n,ZP为第n个温区内每小时加热的制品重量，单位：kg/h；C_ZP为制品的平均比热，单位：kcal/kg·℃；T_n,ZP,IN为制品进入第n个温区前的温度，单位：℃；T_n,ZP,OUT为制品离开第n个温区时的温度，单位：℃；K_{kcal_kwh}是kcal和kWh的换算系数，K_{kcal_kwh}＝0.0011627kWh/kcal；

所述推板加热需要的热量W_n,TB计算方法如下：

W_n,TB＝G_n,TB×C_TB×(T_n,TB,OUT-T_n,TB,IN)×K_{kcal_kwh} (2)

式中，G_n,TB为第n个温区内每小时推进的推板重量，单位：kg/h；C_TB为推板的平均比热，单位：kcal/kg·℃；T_n,TB,IN为推板进入第n个温区前的温度，单位：℃；T_n,TB,OUT为推板离开第n个温区时的温度，单位：℃；

所述匣钵加热需要的热量W_n,XB计算方法如下：

W_n,XB＝G_n,XB×C_XB×(T_n,XB,OUT-T_n,XB,IN)×K_{kcal_kwh} (3)

式中，G_n,XB为第n个温区内每小时推进的匣钵料重量，单位：kg/h；C_XB为匣钵的平均比热，单位：kcal/kg·℃；T_n,XB,IN为匣钵进入第n个温区前的温度，单位：℃；

T_n,XB,OUT为匣钵离开第n个温区时的温度，单位：℃；

所述窑墙散热损失的热量W_n,YQ计算方法如下：

式中，T_n,YQ,IN为第n个温区窑墙内表面温度，单位：℃；T_n,YQ,OUT为第n个温区窑墙外表面温度，单位：℃；S_i为第n个温区内第i层绝热材料的厚度，单位：m；λ_i为第n个温区内第i层绝热材料的导热系数，单位：kcal/m·h·℃；F_n,YQ为窑墙的散热面积，单位：m²，计算方法如下：

其中，F_n,YQ,IN是第n个温区窑墙内表面面积，单位：m²；F_n,YQ,OUT是第n个温区窑墙外表面面积，单位：m²；

所述窑门辐射损失的热量W_n,FS计算方法如下：

式中，T_n,FS,IN为电窑炉温区内部的平均温度，单位：℃；T_n,FS,OUT为电窑炉温周围的空气温度，单位：℃；F_n,FS为窑门面积，单位：m²；K_ZB各温区的遮蔽系数，完全遮蔽时K_ZB＝0，无遮蔽时K_ZB＝1，正常取值在0～1之间；

所述裸露加热棒端部传导所散失的热量W_n,RB计算方法如下：

式中，λ_n,RB为第n个温区内加热棒的导热系数；T_{n,RB_IN}为第n个温区加热棒在窑膛内发热部分的温度，单位：℃；T_{n,RB_OUT}为第n个温区加热棒在窑外的温度，单位：℃；

L_{n,RB_HOT}为第n个温区加热棒加热段的长度，单位：m；F_n,RB为第n个温区加热棒端部的断面积，单位：m²；

所述排湿风机废气带走的热量W_n,FQ计算方法如下：

W_n,FQ＝V_n,FQ×C_n,FQ×T_n,FQ×K_{kcal_kwh} (8)

其中，V_n,FQ是第n个温区单位时间内排湿风机带走的废气体积，单位：m³/h；T_n,FQ是第n个温区排湿烟囱出口的废气温度，单位：℃；C_n,FQ是T_n,FQ温度下废气的平均比热，单位：kcal/kg·℃；

所述冷却风机带走的热量W_n,LQ计算方法如下：

W_n,LQ＝Q_n,LQ×C_n,LQ×T_n,LQ×K_{kcal_kwh} (9)

其中，Q_n,LQ为第n个温区单位时间内风机产生的风量，单位：m³/h，T_n,LQ是第n个温区内风机带走的空气温度，单位：℃；C_n,LQ是在T_n,LQ温度下气体的平均比热；

所述窑炉积散热以及其他热损失W_n,QT计算方法如下：

所述窑炉积散热以及其他热损失W_n,QT等于总耗热量的10％；

则所述待测电窑炉第n个温区单位时间的总输出热量W_n,OUT,ALL计算方法如下：

W_n,OUT,ALL＝W_n,ZP+W_n,TB+W_n,XB+W_n,YQ+W_n,FS+W_n,RB+W_n,FQ+W_n,LQ+W_n,QT (11)；

步骤3、然后根据能量平衡原理，计算出待测电窑炉第n个温区单位时间内电加热棒的输入能量和温控装置的输出电压U_n,JR；所述步骤3的过程具体为：

所述待测电窑炉第n个温区单位时间内输入的热量为电加热棒释放的热量，则第n个温区单位时间内电加热棒产生的总热量W_n,JR计算方法如下：

式中，M_n,JR为第n个温区内加热棒数量的数组；U_n,JR为第n个温区内电窑炉温控装置输出的加热棒两端的电压值，单位：V；R_n,JR为n个温区内单个加热棒的等效阻抗，单位：Ω；

根据能量平衡原理，第n个温区单位时间内电加热棒放出的热量与第n个温区单位时间内的总输出热量相等，得到下式：

W_n,JR＝W_n,OUT,ALL (13)

进而得到第n个温区加热棒的温控装置的输出电压U_n,JR计算如下：

以此类推，计算得到所述待测电窑炉所有温区中所有加热棒温控装置的输出电压值；

步骤4、结合第n个温区电窑炉供电线电压有效值U_n,L，计算得到温控装置的调压系数K_U,n；在步骤4中，温控装置的调压系数K_U,n表示为：

其中，U_n,L为第n个温区的电窑炉供电线电压有效值，若该温区的加热棒连接在AB相之间，则

若该温区的加热棒连接在BC相之间，则

若该温区的加热棒连接在CA相之间，则

电窑炉的三相供电电压

步骤5、建立温控装置的调压系数K_U,n与触发角β_n之间的对应关系曲线，基于所述对应关系曲线和计算得到的温控装置的调压系数K_U,n，确定温控装置对应的触发角β_n；

其中，温控装置的调压系数K_U,n与触发角β_n之间存在一一映射关系，如式(16)所示：

通过查询调压系数K_U,n与触发角β_n的对应关系，获得温控装置对应的触发角β_n；

步骤6、根据第n个温区加热棒温控装置对应的触发角β_n，计算第n个温区加热棒h次谐波电流相量，并结合电窑炉各加热棒在三相之间的分布情况，计算各加热棒的电流相量；

步骤7、然后根据各温区内加热棒的分布情况，计算出待测电窑炉的相电流；

步骤8、根据相线电流转换原理，将所述待测电窑炉的相电流转换为线电流，并计算线电流中的谐波电流、基波电流、正序电流、负序电流、零序电流、有功功率、无功功率、视在功率和功率因数指标。

2.根据权利要求1所述基于能量平衡的电窑炉电能质量特性分析模型的建立方法，其特征在于，在所述步骤1中，

所述待测电窑炉的结构参数包括：电窑炉的温区数量N；第n个温区内壁的长度L_n、高度H_n和宽度W_n；第n个温区的绝热层数I，以及第i层绝热材料厚度S_i、导热系数λ_i；各温区之间的遮蔽系数K_ZB；其中n为温区的编号，n＝1，2，……N；

电气参数包括：电窑炉的三相供电电压

第n个温区的加热棒数量M_JR、加热棒等效阻抗R_JR、加热棒加热段长度L_{n,RB_HOT}、加热棒端部断面积F_n,RB及加热棒导热系数λ_n,RB；

工艺参数包括：电窑炉第n个温区每小时加热的制品重量G_n,ZP、每小时推进的推板重量G_n,TB、每小时推进的匣钵料重量G_n,XB，以及制品的平均比热C_ZP、推板的平均比热C_TB、匣钵的平均比热C_XB；第n个温区窑墙内表面温度T_n,YQ,IN和窑墙外表面温度T_n,YQ,OUT；第n个温区排湿风机带走的废气体积V_n,FQ、烟囱出口的废气温度T_n,FQ以及废气的平均比热C_n,FQ；第n个温区单位时间内风机产生的风量Q_n,LQ、风机带走的空气温度T_n,LQ以及气体平均比热C_n,LQ。

3.根据权利要求1所述基于能量平衡的电窑炉电能质量特性分析模型的建立方法，其特征在于，在步骤6中，不同触发角β_n对应的h次谐波电压的幅值U_h和相位θ_Uh计算式如下：

h＝1表示基波分量；

其中：

根据第n个温区内M_n个加热棒在三相电压中的分布情况，若加热棒接入AB相，则用AB相调制后的电压计算加热棒的电流；若加热棒接入BC相，则用BC相调制后的电压计算加热棒的电流；若加热棒接入CA相，则用CA相调制后的电压计算加热棒的电流；

进而计算出第n个温区内第m个加热棒产生的h次谐波电流如下：

其中，m为第n个温区内加热棒的编号；h表示谐波次数，当h＝1时表示为基波电流；U_m,h为第m个加热棒对应的调制电压幅值；θ_m,Uh为第m个加热棒对应的调制电压相位角；R_m,JR,h为第m个加热棒的h次谐波阻抗，若考虑加热棒的趋肤效应时，

若不考虑加热棒的趋肤效应时，R_m,JR,h＝R_m,JR。

4.根据权利要求3所述基于能量平衡的电窑炉电能质量特性分析模型的建立方法，其特征在于，在步骤7中，具体根据各温区内加热棒在三相供电电压中的分布情况，将连接在AB相、BC相和CA相电压之间的各加热棒h次谐波电流分别进行相量叠加，得到待测电窑炉的相电流

和

如式(21)所示：

其中，M₁、M₂、M₃分别是电窑炉所有温区中连接在AB相、BC相和CA相之间的加热棒数量。

5.根据权利要求1所述基于能量平衡的电窑炉电能质量特性分析模型的建立方法，其特征在于，在步骤8中，

根据相线电流转换原理，计算得到电窑炉的三相线电流，计算方法如下：

其中，

分别为电窑炉负荷h次谐波的线电流；

分别为电窑炉负荷h次谐波的相电流，当h＝1时为基波分量；

根据电窑炉三相线电流的基波分量，采用对称分量法，计算出三相基波电流的正序

负序

和零序

分量，计算方法如下：

再根据电窑炉的三相基波线电流与三相电压的关系，计算出三相有功功率P、三相无功功率Q、三相视在功率S、功率因数PF，计算方法如下：

其中，U_A、U_B、U_C电压分别为电窑炉三相供电电压的幅值；I_A,1、I_B,1、I_C,1分别为电窑炉三相线电流的幅值；

分别为电窑炉三相供电电压与电窑炉三相电流的相位差。

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